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六价铬离子Cr(Ⅵ)作为广泛存在于环境中毒性较大的重金属离子,严重危害人类健康,吸附法是治理Cr(Ⅵ)污染的有效方法之一,寻找一种廉价高效吸附剂是发展吸附法治理Cr(Ⅵ)污染的关键所在。甘蔗渣作为榨糖企业的主要副产物,具有廉价易得、可循环、可再生的特点,主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素等,是一种天然的制备重金属生物吸附材料的良好原料。目前大多通过物理化学改性方法来增加甘蔗渣的吸附性能,存在耗能高、操作繁琐以及试剂污染较大等问题。
为了降低成本,减少吸附材料制备过程中的污染和能耗,本研究基于甘蔗渣的组成成分分析结果,利用微生物处理对甘蔗渣进行生物方法改性,制备生物改性甘蔗渣(Bio-modified Sugarcane Bagasse,BMSCB)吸附Cr(Ⅵ)材料。首先,通过对比不同菌种的处理效果,分析微生物处理时长与处理获得的改性材料Cr(Ⅵ)去除率之间的关系,确定甘蔗渣生物改性的方法;其次,通过对改性后的甘蔗渣组成成分分析和结构表征探讨甘蔗渣生物改性机理;然后,通过研究影响BMSCB吸附溶液中Cr(Ⅵ)的因素,确定最适吸附条件;最后,通过静态吸附数据与吸附等温线和吸附动力学曲线的拟合分析,研究BMSCB对水中Cr(Ⅵ)的吸附机理。取得的主要研究结果如下:
(1)研究建立了甘蔗渣生物改性方法。比较研究发现,采用胡萝卜软腐果胶杆菌(Pectobacterium carotovorum)HG-49和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)HR-5对甘蔗渣在37℃下进行混合菌种发酵处理24小时,处理后得到的生物改性甘蔗渣对溶液中Cr(Ⅵ)的去除率提高了28.53%。SEM、XRD、FTIR、BET分析结果表明,经微生物及其分泌的果胶酶、半纤维素酶等的降解处理改性后甘蔗渣表面变得平整光滑,纤维更为疏松,具有更多的活性基团,更大的比表面积和更多的孔状结构,更有利于对Cr(Ⅵ)的吸附。
(2)研究确定了生物改性甘蔗渣吸附Cr(Ⅵ)的最适条件。影响因素实验结果表明,常温(25℃)下,在Cr(Ⅵ)含量为50mg/L的体系中,最适吸附剂投加量为2.8g/L;最优吸附处理时间为210min;在低pH下具有良好的去除率,对于pH约为2-3的电镀废水处理具有实际意义;其他共存离子的存在不会影响Cr(Ⅵ)的吸附效果。在优化的吸附条件下,BMSCB对溶液中浓度为50mg/L的Cr(Ⅵ)的去除率最高可达92.64%。
(3)通过吸附动力学及吸附热力学曲线拟合,分析了BMSCB吸附Cr(Ⅵ)的机理。结果显示,BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程符合拟二级动力学模型,表明BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的吸附过程是以化学吸附为主导、多种吸附方式并存的混合吸附过程;BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程还符合颗粒内扩散动力学模型,表明吸附速率由BMSCB表面膜扩散及其孔径内扩散两方面因素共同控制;结果还显示,BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程符合Langmuir等温线模型,表明该吸附过程为吸热的可自发进行的单层吸附,依据该模型计算,在常温(25℃)下,最大吸附量可达19.80mg/g。
综上,以甘蔗渣为原料进行生物改性制备的BMSCB对Cr(VI)显示出良好的吸附效果。相比化学改性和高温碳化改性等方法,生物改性过程较为温和,对环境不会造成二次污染。因此,BMSCB是一种绿色廉价吸附材料,在含Cr(VI)废水治理方面具有良好的应用前景,同时也为其他农业废弃物生物改性制备重金属离子吸附材料提供了借鉴。
为了降低成本,减少吸附材料制备过程中的污染和能耗,本研究基于甘蔗渣的组成成分分析结果,利用微生物处理对甘蔗渣进行生物方法改性,制备生物改性甘蔗渣(Bio-modified Sugarcane Bagasse,BMSCB)吸附Cr(Ⅵ)材料。首先,通过对比不同菌种的处理效果,分析微生物处理时长与处理获得的改性材料Cr(Ⅵ)去除率之间的关系,确定甘蔗渣生物改性的方法;其次,通过对改性后的甘蔗渣组成成分分析和结构表征探讨甘蔗渣生物改性机理;然后,通过研究影响BMSCB吸附溶液中Cr(Ⅵ)的因素,确定最适吸附条件;最后,通过静态吸附数据与吸附等温线和吸附动力学曲线的拟合分析,研究BMSCB对水中Cr(Ⅵ)的吸附机理。取得的主要研究结果如下:
(1)研究建立了甘蔗渣生物改性方法。比较研究发现,采用胡萝卜软腐果胶杆菌(Pectobacterium carotovorum)HG-49和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)HR-5对甘蔗渣在37℃下进行混合菌种发酵处理24小时,处理后得到的生物改性甘蔗渣对溶液中Cr(Ⅵ)的去除率提高了28.53%。SEM、XRD、FTIR、BET分析结果表明,经微生物及其分泌的果胶酶、半纤维素酶等的降解处理改性后甘蔗渣表面变得平整光滑,纤维更为疏松,具有更多的活性基团,更大的比表面积和更多的孔状结构,更有利于对Cr(Ⅵ)的吸附。
(2)研究确定了生物改性甘蔗渣吸附Cr(Ⅵ)的最适条件。影响因素实验结果表明,常温(25℃)下,在Cr(Ⅵ)含量为50mg/L的体系中,最适吸附剂投加量为2.8g/L;最优吸附处理时间为210min;在低pH下具有良好的去除率,对于pH约为2-3的电镀废水处理具有实际意义;其他共存离子的存在不会影响Cr(Ⅵ)的吸附效果。在优化的吸附条件下,BMSCB对溶液中浓度为50mg/L的Cr(Ⅵ)的去除率最高可达92.64%。
(3)通过吸附动力学及吸附热力学曲线拟合,分析了BMSCB吸附Cr(Ⅵ)的机理。结果显示,BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程符合拟二级动力学模型,表明BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的吸附过程是以化学吸附为主导、多种吸附方式并存的混合吸附过程;BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程还符合颗粒内扩散动力学模型,表明吸附速率由BMSCB表面膜扩散及其孔径内扩散两方面因素共同控制;结果还显示,BMSCB对溶液中Cr(Ⅵ)的静态吸附过程符合Langmuir等温线模型,表明该吸附过程为吸热的可自发进行的单层吸附,依据该模型计算,在常温(25℃)下,最大吸附量可达19.80mg/g。
综上,以甘蔗渣为原料进行生物改性制备的BMSCB对Cr(VI)显示出良好的吸附效果。相比化学改性和高温碳化改性等方法,生物改性过程较为温和,对环境不会造成二次污染。因此,BMSCB是一种绿色廉价吸附材料,在含Cr(VI)废水治理方面具有良好的应用前景,同时也为其他农业废弃物生物改性制备重金属离子吸附材料提供了借鉴。